孫穎，徐嘉暉，高菲，崔曉陽

0 引言

土壤因其巨大的碳匯作用日益受到關注［1-2］，全球約1 500 Pg有機碳儲存于土壤中，約為大氣碳庫的2倍［3-4］。土壤有機碳庫輕微的變化將導致大氣CO2濃度較大的波動［5］。Birdsey總結大量文獻得出森林土壤碳庫約占全球土壤碳庫的73%［6］，因此了解森林土壤有機碳的穩(wěn)定機制對緩解溫室效應和改善全球氣候至關重要［7］。Parton將土壤碳庫分為活性碳庫和惰性碳庫［8］，活性碳庫主要包括輕組有機碳和顆粒有機碳等，其在土壤中穩(wěn)定性較差，對環(huán)境變化極為敏感。惰性碳庫主要為重組有機碳，其在土壤中較為穩(wěn)定，利于有機碳的積累。因此，了解土壤輕、重組有機碳的分布格局對掌握有機碳的周轉和固定機制具有重要作用。輕組有機碳（LF-C）是介于新鮮有機質和腐殖質之間的，由未分解或部分分解的有機質所構成的短期土壤養(yǎng)分儲存碳庫，因此其周轉快、有效性高，對土壤養(yǎng)分循環(huán)和碳收支變化具有重要意義［9］，Golchin［10］根據(jù)輕組有機碳在團聚體中的不同位置，將輕組有機碳進一步分為游離在團聚體外的游離態(tài)輕組有機碳（FLF-C）和包裹在團聚體內(nèi)的閉蓄態(tài)輕組有機碳（OLF-C）；重組有機碳（HF-C）是與土壤礦物緊密結合的，腐殖化程度較高的一類有機質，因此重組有機碳決定了土壤有機碳庫的穩(wěn)定性和質量［11］。用物理方法可將土壤有機質分為游離態(tài)輕組（FLF）、閉蓄態(tài)輕組（OLF）和重組（HF）［8，10］。團聚體儲存了表層土壤近90%的有機碳［12］，它對有機碳的物理保護是土壤發(fā)揮固碳潛力的基礎［13-14］。目前，大多數(shù)對密度分組的研究均是以全土為切入點，而相對忽視了團聚體對各密度組分有機碳的分布所產(chǎn)生的影響。

長白山森林生態(tài)系統(tǒng)是亞歐大陸東部保存最為完好的溫帶山地森林生態(tài)系統(tǒng)之一，現(xiàn)仍保存著較大面積的原始森林；但20世紀以來，由于強烈的人為干擾，次生林的面積逐步增加［15-17］。本文以長白山地區(qū)原始紅松林和闊葉次生林的表層土壤為研究對象，采用干篩法分析了有機碳于各粒級團聚體的分布情況，并利用密度分組方法進一步探討了團聚體有機碳的密度分組情況，以探索有機碳在土壤中的穩(wěn)定機制。旨在為研究長白山地區(qū)土壤固碳潛力和提高土壤碳庫的穩(wěn)定性提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長白山腹地的吉林省撫松縣露水河林業(yè)局境內(nèi)（42° 20' ～ 42° 24' N，127° 29' ～ 128°00' E）。屬溫帶濕潤季風氣候，年降水量700 ～900 mm，年平均氣溫0.9 ～ 2.5℃。土壤類型為長白山玄武巖臺地上發(fā)育的白漿土。屬于長白山植物區(qū)系，地帶性植被為紅松針闊混交林，喬木層主要有紅松（Pinus koraiensis）、蒙古櫟（Quercus mongolica）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）等，灌木層有毛榛子（Corylus mundshurica）、刺五加（Acanthopanax senticosus）、暴馬丁香（Syringa reticulate）等。由于上世紀50年代至80年代采伐干擾，原始林面積現(xiàn)已銳減，以白樺（Betula platyphylla）、山楊（Populus davidiana）等為主的闊葉次生林面積大幅增加。

1.2 樣品采集與處理

2016年8月中旬，選擇典型的原始紅松針闊混交林樣地及毗鄰的次生楊樺林樣地（成對樣地，30 m×30 m），每種林型3次重復。為避免環(huán)境差異對結果的影響，樣地的海拔、坡度、坡向和坡位等立地因子基本一致。每個樣地按S型選取5個采樣點，分別按0～5 cm、5～15 cm深度取樣。取樣時保持土壤原狀，用塑料盒帶回實驗室。剔除石礫及肉眼可見的動植物殘體，陰涼處自然風干。利用四分法，部分樣品保持原狀進行團聚體分組，部分研磨過100目篩，編號備用。

1.3 測定方法

土壤機械穩(wěn)定性團聚體的分級采用干篩法［18-19］。稱取一定量的風干土樣，利用孔徑為2、1、0.25 mm的土壤篩將樣品手動篩分為＞2、1～2、1～0.25、＜0.25 mm 4個徑級的樣品，分別稱重并取部分研磨過100目篩測定土壤有機碳。

土壤有機碳各組分的分離方法參照［20-22］，稱取風干土樣20.00 g置于100 ml離心管中，加入密度為 1.85 g/cm3的NaI 溶液,輕輕搖動離心管,靜置30 min后，以4 000 r/min離心30 min,采用虹吸法收集游離態(tài)輕組組分（FLF）于孔徑為0.45 μm的微孔濾膜的抽濾器中，重復操作至無可見輕組物質，用去離子水洗滌，轉移至已稱重器皿中50℃低溫烘干、稱重。離心管內(nèi)的沉淀再次加入NaI溶液，搖勻，利用超聲波以460 J/ml的能量分散團聚體，團聚體破壞后釋放的閉蓄態(tài)輕組組分（OLF）同上進行離心、抽濾、重復、洗滌、烘干、稱重。離心管內(nèi)沉淀的重組（HF）用去離子水離心洗滌、收集、烘干、稱重。將以上得到的各組分樣品研磨過100目篩，用CHN元素分析儀直接測定有機碳濃度并將單位統(tǒng)一換算為g/kg土。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS19.0軟件進行T檢驗和相關分析，單因素方差分析采用Duncan法進行差異顯著性檢驗。利用Excel2007軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 有機碳在全土及團聚體中的分布特征

兩種林型的全土有機碳（SOC）含量差異顯著（P＜0.05）。在0～5、5～15 cm土層，楊樺次生林SOC含量分別達原始紅松林的1.35和1.56倍（表1）。表層土壤總有機碳含量顯著高于亞表層，兩種林型SOC自表層至亞表層均降低了60%以上。與全土有機碳相似，各級團聚體的有機碳含量自0～5 cm至5～15 cm也顯著降低。原始紅松林和楊樺次生林不同徑級團聚體的有機碳含量均以1～0.25 mm團聚體為主，兩林型層間均值分別為26.2 g/kg和30.0 g/kg，占SOC的37.0%和30.8%。其中原始紅松林＜0.25 mm團聚體的有機碳含量最低層間均值為11.7 g/kg，僅占SOC的15.4%，而楊樺次生林以1～2 mm團聚體的有機碳含量最低層間均值為18.2 g/kg，占SOC的18.1%。綜合兩種林型團聚體有機碳含量的分布特征，研究區(qū)內(nèi)土壤有機碳在團聚體中的分配比例由高到低依次為1～0.25、＞2、1～2、＜0.25 mm。

表1 兩種森林類型下全土和各級團聚體有機碳含量及比例Tab.1 Organic carbon content and proportion in bulk soil and each size of aggregates under two forest types.

2.2 有機碳在土壤密度組分中的分布特征

兩林型下土壤各密度組分的有機碳含量由表層至亞表層顯著降低，F(xiàn)LF-C、OLF-C和HF-C原始紅松林分別降低了94.3%、83.9%和51.3%；楊樺次生林分別降低了87.9%、76.2%和34.3%。而各密度組分有機碳占全土有機碳的比例，兩林型的FLF-C/SOC、OLF-C/SOC均顯著下降，降幅在原始紅松林可達82.6%和50.5%；楊樺次生林可達67.0%和35.1%，但原始紅松林和楊樺次生林的HF-C/SOC隨著土層的加深卻分別升高了48.6%和79.1%（表2）。這說明，輕組有機碳（LF-C）對表層土壤有機碳的積累影響顯著，但隨著土層的加深LF-C的影響逐漸減弱，而HF-C則逐漸相對累積。楊樺次生林土壤各組分有機碳含量均高于原始紅松林，其中FLF-C和OLF-C均達到顯著水平，而表層HF-C則差異并不明顯；從各密度組分占SOC的比例來看，次生林的FLF-C/SOC和OLF-C/SOC較原始林高13.5%和1.1%，而HF-C/SOC則低14.6%，且差異顯著（表2）?？梢?，林型差異導致了LF-C的積累差異，而對HF-C的影響較小。

表2 兩種森林類型土壤密度組分的有機碳含量及比例Tab.2 Organic carbon content and proportion in density fractions separated from soils under two forest types.

圖1 土壤團聚體中不同密度組分的有機碳含量（g·kg-1）和比例（%）Fig.1 Organic carbon content (g·kg-1) and proportion (%) in different density fractions of soil aggregates

2.3 有機碳在土壤團聚體密度組分中的分布特征

如圖1所示，隨著團聚體徑級的減小，0～5 cm和5～15 cm層的各密度組分有機碳含量的分布規(guī)律一致，但兩林型間卻差異顯著。原始紅松林的FLF-C和HF-C在1～0.25 mm團聚體中含量最高，層間均值分別為9.53、17.46 g/kg，OLF則在1～2 mm團聚體中有機碳含量最高，層間均值為0.89 g/kg；楊樺次生林的FLF-C的峰值出現(xiàn)在＜0.25 mm團聚體中，層間均值為17.21 g/kg，OLF和HF則均以＞2 mm團聚體的有機碳含量最高，層間均值分別為1.94 g/kg和17.88 g/kg。從各密度組分在不同徑級團聚體的分布比例上看，兩林型的FLF-C主要分布在＜1 mm的小團聚體中，平均占SOC的69.0%，而OLF-C和HF-C則主要分布在大團聚體中（＞0.25 mm），平均分別占SOC的87.6%和84.2%。綜合兩種林型土壤團聚體中各密度組分有機碳分布特征，各密度組分表現(xiàn)出隨著團聚體徑級的減小，F(xiàn)LF-C逐漸增大，而OLF-C和HF-C則逐漸降低的趨勢。

3 結論

（1）楊樺次生林表層和亞表層土壤的有機碳含量均顯著高于原始紅松林，但重組有機碳（HFC）的比例卻顯著低于后者。這表明即使次生演替促進了土壤對有機碳的固持，但也降低了土壤有機碳庫的整體穩(wěn)定性。因此，在長白山地區(qū)加強原始森林資源的保護并促進次生林生態(tài)恢復，對增加穩(wěn)定性土壤碳庫具重要意義。

（2）相比于游離態(tài)輕組有機碳（FLF-C）和閉蓄態(tài)輕組有機碳（OLF-C），HF-C在兩林型不同團聚體中的分配相對穩(wěn)定，這表明HF-C在穩(wěn)定性土壤有機碳的固持中起著主導作用。

（3）OLF-C一般不足總有機碳的5%，其分配比例隨著團聚體粒級的減小逐漸降低。這部分有機碳在團聚體的保護下相對穩(wěn)定，增加了土壤穩(wěn)定性碳庫的儲量。

［1］Watson R T, Noble I R, Bolin B, et al. Land use, land-use change and forestry: a special report of the intergovernmental panel on climate change［M］. UK: Cambridge University Press, 2000.

［2］Rita J C O, Gama-Rodrigues A C, Polidoro J C, et al. C and N content in density fractions of whole soil and soil size fraction under cacao agroforestry systems and natural forest in Bahia, Brazil［J］. Environmental Management, 2011, 48 (1):134 - 141.

［3］Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security［J］. Science, 2004, 304 (5677):1623-1627.

［4］Lal R. Soil carbon sequestration to mitigate climate change［J］.Geoderma, 2004, 123(1–2): 1-22.

［5］Sundquist E T. The global carbon dioxide budget［J］. Science,1993, 259 (5097):934-941.

［6］Birdsey R A, Plantinga A J, Heath L S. Past and prospective carbon storage in United States forests［J］. Forest Ecology &Management, 1993, 58 (1-2): 33-40.

［7］Six J, Elliott E T, Paustian K. Aggregate and soil organic matter dynamics under conventional and no-tillage systems［J］. Soil Science Society of America Journal, 1999, 63 (5): 1350-1358.

［8］Parton W J, Schimel D S, Cole C V, et al. Analysis of factors controlling soil organic matter levels in great plains grasslands1［J］.Soil Science Society of America Journal, 1987, 51 (5):1173-1179.

［9］Schlesinger W H. Evidence from chronosequence studies for a low carbon-storage potential of soils［J］. Nature, 1990, 348 (6298):232-234.

［10］Golchin A, Oades J M, Skjemstad J O, et al. Study of free and occluded particulate organic matter in soils by solid state 13C Cp/MAS NMR spectroscopy and scanning electron microscopy［J］.Soil Research, 1994, 32 (2):285-309.

［11］Christensen B T. Physical fractionation of soil and organic matter in primary particle size and density separates［J］. Advances in Soil Science, 1992, 20:1-90.

［12］Jastrow J D. Soil aggregate formation and the accrual of particulate and mineral-associated organic matter［J］. Soil Biology and Biochemistry, 1996, 28 (4-5): 665-676.

［13］Puget P, Chenu C, Balesdent J. Dynamics of soil organic matter associated with particle-size fractions of water-stable aggregates［J］. European Journal of Soil Science, 2000, 51 (4): 595-605.

［14］Feller C, Beare M H. Physical control of soil organic matter dynamics in the tropics［J］. Geoderma, 1997, 79 (1-4):69-116.［15］Wang A, Pei T. Determination and calculation of evapotranspiration of broad-leaved Korean pine forest on Changbai Mountain［J］. Chinese Journal of Applied Ecology,2002, 13(12):1547.

［16］Wu J, Guan D, Dai L, et al. Summer temperature characteristics of broadleaved Pinus koriaensis forest in Changbai Mountain［J］.Chinese Journal of Ecology, 2002, 21(5):14-17.

［17］孫迪, 夏靜芳, 關德新,等. 長白山闊葉紅松林不同深度土壤水分特征曲線［J］. 應用生態(tài)學報, 2010, 21(6): 1405-1409.

［18］章明奎, 鄭順安, 王麗平. 利用方式對砂質土壤有機碳、氮和磷的形態(tài)及其在不同大小團聚體中分布的影響 ［J］. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2007, 40 (8): 1703-1711.

［19］張?zhí)? 朱玉杰, 董希斌. 小興安嶺用材林土壤肥力綜合評價及評價方法比較［J］. 東北林業(yè)大學學報, 2016, 44(12) :10-14.

［20］Brodowski S, John B, Flessa H, et al. Aggregate-occluded black carbon in soil［J］. European Journal of Soil Science, 2006,57(4): 539-546.

［21］Tan Z, Lal R, Owens L, et al. Distribution of light and heavy fractions of soil organic carbon as related to land use and tillage practice［J］. Soil & Tillage Research, 2007, 92 (1/2): 53-59.

［22］Preger A C, K?sters R, Preez C C D, et al. Carbon sequestration in secondary pasture soils: a chronosequence study in the South African Highveld［J］. European Journal of Soil Science, 2010,61(4):551-562.